Nghiên cứu quy trình thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép phân tích theo giai đoạn thi công (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI --- NGUYỄN NGỌC THỊNH NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP PHÂN TÍCH THEO GIAI ĐOẠN THI CÔN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

NGUYỄN NGỌC THỊNH

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP PHÂN TÍCH THEO GIAI ĐOẠN

THI CÔNG

( In h6- 20, font Times New Roman)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

)( In hoa, cỡ chữ 14, font Times New

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

( In hoa, cỡ chữ 14, font Times New Roman)

NGUYỄN NGỌC THỊNH KHÓA: 2014- 2016

( In hoa, cỡ chữ 14, font Times New Roman)

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP PHÂN TÍCH THEO GIAI ĐOẠN

THI CÔNG

( In h6- 20, font Times New Roman)

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã được người hướng dẫn khoa học là thầy giáo TS.Vũ Hoàng Hiệp tận tình giúp đỡ, hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn của mình Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy

Tôi cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ khoa đào tạo Sau Đại Học thuộc trường đại học Kiến Trúc Hà Nội, đã giúp đỡ, hướng dẫn, tạo điều kiện trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình đã động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu

Do thời gian thực hiện đề tài không nhiều và trình độ có hạn, mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng trong luận văn sẽ không tránh khỏi những hạn chế nhất

định, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo cùng các bạn để luận văn hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 24 tháng 06 năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Thịnh

Lêi cam ®oan

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là

trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Ngọc Thịnh

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắt ………

Danh sách các hình vẽ, đồ thị

Danh sách các bảng biểu

Trang MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu 3

Đối tượng nghiên cứu 3

Phạm vi nghiên cứu 3

Phương pháp nghiên cứu 3

NỘI DUNG……… 4

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU NHÀ CAO TẦNG 4

1.1 Khái niệm chung về nhà cao tầng 4

1.2 Phân loại nhà cao tầng 5

1.3 Các hệ chịu lực cơ bản của nhà cao tầng 6

1.3.1 Hệ khung chịu lực 6

1.3.2 Hệ tường chịu lực 8

1.3.3 Hệ lõi chịu lực 9

1.3.4 Hệ hộp chịu lực 10

1.4 Các hệ chịu lực hỗn hợp 4

1.4.1 Hệ khung - tường chịu lực 11

1.4.2 Hệ khung - lõi chịu lực 12

1.4.3 Hệ khung - hộp chịu lực 13

1.4.4 Hệ hộp - lõi chịu lực 13

1.5 Các phương pháp phân tích kết cấu nhà cao tầng 13

1.5.1 Phương pháp cơ học kết cấu 14

1.5.2 Phương pháp sai phân hữu hạn 14

1.5.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 14

1.6 Phân tích kết cấu nhà cao tầng theo giai đoạn thi công 18

1.6.1 Phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công kết cấu nhà cao tầng

bê tông cốt thép 18

1.6.2 Các nghiên cứu về phân tích kết cấu theo giai đoạn thi công kết cấu nhà cao tầng bê tông cốt thép 24

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUY TRÈNH THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG BÊ TÔNG CỐT THÉP PHÂN TÍCH THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG 35 2.1 Các loại tải trọng tác dụng lên nhà cao tầng 35

2.1.1 Phân loại tải trọng 35

2.1.2 Cách xác định tải trọng 36

2.2 Sơ đồ tính toán nhà cao tầng 39

2.2.1 Phân loại theo tính chất làm việc không gian 39

2.2.2 Phân loại theo tính chất của ẩn số 40

2.3 Các nguyên tắc tính toán nhà cao tầng 41

2.3.1 Tải trọng 41

2.3.2 Nội dung và phương pháp tính toán 42

2.3.3 Kiểm tra độ cứng tổng thể 39

2.3.4 Kiểm tra dao động của công trình 43

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phân tích theo giai đoạn thi công 44

2.4.1 Thành phần tải trọng sử dụng trong phân tích 44

2.4.2 Tốc độ thi công 47

2.4.3 Độ ẩm môi trường 50

2.4.4 Mô hình vật liệu 53

2.5 Thiết kế nhà cao tầng phân tích theo giai đoạn thi công 62

2.5.1 Tải trọng 62

2.5.2.Phân tích kết cấu 63

2.5.3 Tổ hợp nội lực 64

CHƯƠNG 3

KHẢO SÁT, ĐỀ XUẤT QUY TRÈNH THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP PHÂN TÍCH THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG 65 3.1 Lựa chọn sơ đồ khảo sát 66

3.2 Kích thước tiết diện, vật liệu sử dụng trong phân tích 68

3.2.1 Lựa chọn sơ bộ kích thước tiết diện 68

3.2.2 Vật liệu 69

3.3 Tải trọng tác dụng lên công trình 69

3.3.1 Tĩnh tải 69

3.3.2 Hoạt tải sử dụng 70

3.3.3 Tải trọng gió 70

3.3.4 Tải trọng động đất 70

3.4 Bài toán 1 71

3.5 Bài toán 2 86

3.6 Bài toán 3 95

3.7 Tổng hợp kết quả bài toán 1, bài toán 2, bài toán 3 108

3.8 Đề xuất quy trình thiết kế nhà cao tầng phân tích theo giai đoạn thi công 115

3.9 Kiểm soát kết quả phân tích kết cấu trong thời gian thi công 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÂC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

THSQ Tổ hợp có thành phần tĩnh tải bản thân phân tích

theo giai đoạn thi công

DANH S¸CH H×NH VÏ

Hình 1.1 Một số loại mặt bằng nhà cao tầng hệ khung chịu lực

Hình 1.2 Hệ khung chịu lực có thanh xiên và thanh dàn ngang

Hình 1.3 Các sơ đồ hệ tường chịu lực

Hình 1.4 Hình dạng vách cứng

Hình 1.5 Cách bố trí lõi cứng trong công trình

Hình 1.6 Hệ khung - tường chịu lực

Hình 1.7 Sơ đồ làm việc của hệ khung - tường chịu lực

Hình 1.8 Hệ khung - lõi chịu lực

Hình 1.9 Phần tử một chiều

Hình 1.10 Phần tử hai chiều

Hình 1.11 Phần tử ba chiều

Hình 1.12 Phân tích tĩnh tuyến tính được thực hiện với toàn bộ hệ kết cấu

và không xét đến thi công theo giai đoạn ở mỗi tầng Hình 1.13 Phân tích tĩnh phi tuyến theo giai đoạn thi công ở mỗi tầng Hình 1.14 Hình ảnh công trình

Hình 1.20 Co ngắn cột của nhà 40 tầng khi độ ẩm thay đổi

Hình 1.21 Co ngắn cột của nhà 40 tầng khi hệ số co ngót thay đổi

Hình 1.22 Mô tả sơ lược hệ quả của hiệu ứng shortening

Hình 1.23 Dầm nối vách cột vách

Hình 1.24 Moment do tĩnh tải khi phân tích thông thường

Hình 1.25 Moment do tĩnh tải khi phân tích theo giai đoạn thi công

Hình 1.26 Moment nội lực tầng 24, 25 khi phân tích theo giai đoạn sử dụng

thông thường Hình 1.27 Moment nội lực tầng 24, 25 khi phân tích theo giai đoạn thi công Hình 1.28 Biến dạng tầng 24, 25 khi phân tích theo giai đoạn sử dụng

thông thường

Hình 1.29 Biến dạng tầng 24, 25 khi phân tích theo giai đoạn thi công

Hình 2.1 Sơ đồ tính toán một chiều và hai chiều

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán rời rạc và rời rạc - liên tục

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán liên tục

Hình 2.4 Mặt bằng công trình văn phòng

Hình 2.5 Mặt bằng công trình chung cư

Hình 2.6 Mô hình kết cấu khung nhà 20 tầng

Hình 2.7 Biều đồ co ngắn cột nhà 20 tầng do tốc độ thi công thay đổi Hình 2.8 Biều đồ chênh lệch co ngắn cột và vách nhà 20 tầng do tốc độ

thi công thay đổi Hình 2.9 Biều đồ co ngắn cột nhà 20 tầng khi độ ẩm tương đối thay đổi Hình 2.10 Biều đồ chênh lệch co ngắn cột và vách nhà 20 tầng khi hệ số

độ ẩm tương đối thay đổi Hình 2.11 Chức năng khai báo ảnh hưởng của thời gian đến tính chất vật

liệu theo tiêu chuẩn CEB-FIP90 trong ETABS 2015 Hình 2.12 Biều đồ co ngắn cột nhà 20 tầng do hệ số co ngót thay đổi Hình 2.13 Biều đồ chênh lệch co ngắn cột và vách nhà 20 tầng khi hệ số

co ngót thay đổi Hình 2.14 Biều đồ so sánh co ngắn cột nhà 20 tầng giữa mô hình từ biến

“ Tích phân đầy đủ” và mô hình chuỗi Dirichlet với các trường hợp thay đổi số số hạng chuỗi

Hình 2.15 Biều đồ chênh lệch co ngắn cột và vách nhà 20 tầng giữa mô

hình từ biến “ Tích phân đầy đủ” và mô hình chuỗi Dirichlet với các trường hợp thay đổi số số hạng chuỗi

Hình 3.1 Mô hình không gian 3D công trình 25 tầng

Hình 3.2 Mặt bằng kết cấu công trình 25

Hình 3.3 Biểu đồ moment khung trục 2 phân tích thông thường (BT1A) Hình 3.4 Biểu đồ moment khung trục 2 phân tích theo giai đoạn thi công

(BT1B) Hình 3.5 Lực dọc khung trục 2 phân tích thông thường (BT1A) Hình 3.6 Lực dọc khung trục 2 phân tích theo giai đoạn thi công (BT1B) Hình 3.7 Biến dạng khung trục 2 phân tích thông thường (BT1A) Hình 3.8 Biến dạng khung trục 2 phân tích theo giai đoạn thi công

(BT1B) Hình 3.9 Biểu đồ moment dầm B4 phân tích thông thường và phân tích

theo giai đoạn thi công tại vị trí tầng 23,24,25 Hình 3.10 Biểu đồ chênh lệch co ngắn giữa cột C6 và vách phân tích

thông thường (BT1A) Hình 3.11 Biểu đồ chênh lệch co ngắn giữa cột C6 và vách phân tích

phi tuyến theo giai đoạn thi công (BT1B) Hình 3.12 Biểu đồ moment dầm B4 của tĩnh tải tổ hợp TTBT+TTHT bài

toán 2 và tĩnh tải thông thường bài toán 1A tại vị trí tầng 23,24,25

Hình 3.13 Biểu đồ so sánh chênh lệch co ngắn của cột C6 và vách theo

bài toán 1A và bài toán 2 Hình 3.14 Biểu đồ moment dầm B4 của TH8 và TH8SQ tại vị trí tầng

23,24,25 Hình 3.15 Biểu đồ chênh lệch co ngắn cột C6 và vách của TH6

và TH6SQ Hình 3.16 Chức năng khai báo các đặc trưng vật liệu trong ETABS 2015 Hình 3.17 Chức năng khai báo các thông số ảnh hưởng theo thời gian

đến vật liệu trong ETABS 2015

Hình 3.18 Chức năng khai báo nhóm các phần tử trong ETABS 2015 Hình 3.19 Chức năng khai báo phương pháp phân tích các loại tải trọng

trong ETABS 2015 Hình 3.20 Chức năng khai báo tốc độ thi công trong ETABS 2015

Hình 3.21 Chức năng khai báo các nhóm phần tử và tải trọng ứng với

mỗi giai đoạn thi công thực tế trong ETABS 2015 Hình 3.22 Quá trình chủ động đổ bù bê tông trong thực tế

Hình 3.23 Vị trí quan trắc giá trị co ngắn trong công trình

Danh s¸ch c¸c b¶ng biÓu

Bảng 2.1 Tĩnh tải bản thân của công trình

Bảng 2.2 Tĩnh tải hoàn thiện của công trình

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp tĩnh tải của công trình

Bảng 2.4 Tĩnh tải bản thân của công trình nghiên cứu

Bảng 2.5 Tĩnh tải hoàn thiện sàn của công trình nghiên cứu

Bảng 2.6 Bảng tổng hợp tĩnh tải sàn của công trình nghiên cứu

Bảng 2.7 So sánh chênh lệch co ngắn của cột và vách với các tốc độ

7 ngày/ tầng, 8 ngày/ tầng, 9 ngày/ tầng, 10 ngày/ tầng Bảng 2.8 So sánh chênh lệch co ngắn của cột và vách với độ ẩm mặc

định 50 % của ETABS và các độ ẩm 53%; 80%;87.6%

Bảng 2.9 Bảng so sánh chênh lệch co ngắn của cột và vách do hệ số

co ngót mặc định của ETABS 2015 với các hệ số co ngót thay đổi

Bảng 2.10 So sánh chênh lệch co ngắn của cột và vách giữa mô hình từ

biến “ Tích phân đầy đủ” và mô hình chuỗi Dirichlet với

các trường hợp thay đổi số số hạng chuỗi Bảng 3.1 Bảng chọn tiết diện cột

thông thường (BT1A) Bảng 3.8 Chênh lệch co ngắn giữa cột C6 và vách phân tích theo

giai đoạn thi công (BT1B) Bảng 3.9 So sánh chênh lệch co ngắn giữa cột C6 và vách theo hai

phương pháp phân tích Bảng 3.10 Bảng so sánh moment dầm B4 bài toán 1A và bài toán 2 Bảng 3.11 Bảng so sánh lực dọc cột C6 bài toán 2 và bài toán 1A

Bảng 3.12 Bảng so sánh chênh lệch co ngắn cột C6 và vách bài toán 2

và bài toán 1A Bảng 3.13 So sánh giá trị moment dầm B4 giữa TH8 và TH8SQ

Bảng 3.14 So sánh giá trị chênh lệch lực dọc giữa TH5 và TH5SQ

Bảng 3.15 So sánh giá trị chênh lệch co ngắn giữa cột và vách giữa TH6

và TH6SQ Bảng 3.16 So sánh tỷ lệ chênh lệch moment giữa phân tích thông thường

và phân tích theo giai đoạn thi công của ba bài toán1,2,3 Bảng 3.17 So sánh tỷ lệ chênh lệch lựcdọc giữa phân tích thông thường

và phân tích theo giai đoạn thi công của ba bài toán1,2,3 Bảng 3.18 So sánh tỷ lệ chênh lệch co ngắn giữa cột C6 và vách giữa

phân tích thông thường và phân tích theo giai đoạn thi công của ba bài toán 1,2,3

Xuất phát từ thực trạng như vậy nên giải pháp xây dựng các nhà cao tầng là biện pháp hữu hiệu nhất để giải quyết các vấn đề về tăng dân số cũng như các nhu cầu khác của các đô thị Trong những năm trở lại đây, hàng loạt các công trình nhà cao tầng với quy mô và chiều cao lớn đã được đưa vào xây dựng và sử dụng tại Việt Nam như các công trình thuộc khu đô thị mới Trung Hòa - Nhân Chính, khu đô thị Linh Đàm, khu đô thị Mỹ Đình, với chiều cao

từ 17-34 tầng, khu đô thị Văn Phú, Xa La - Hà Đông với chiều cao từ 30-40 tầng, và đặc biệt đã xuất hiện các công trình có chiều cao lớn như Lotte -Liễu Giai cao 65 tầng, công trình cao nhất Việt Nam hiện nay - tòa nhà Keangnam cao 70 tầng tại đường Phạm Hùng - Hà Nội Trên thế giới, nhà cao tầng cũng phát triển từ rất sớm với tốc độ rất nhanh Hiện nay công trình cao nhất thế giới là tòa nhà Burj Kharifa ở Dubai thuộc các tiểu vương quốc Ả rập thống nhất hoàn thành năm 2010 có chiều cao lên đến 868m với 168 tầng

Với sự phát triển của nhà cao tầng diễn ra nhanh chóng như vậy, đòi hỏi công tác thiết kế kết cấu nhà cao tầng cũng cần phải có sự phát triển tương ứng Việc tính toán công trình phải được thực hiện sao cho sự làm việc của công trình được mô phỏng trên máy tính, phòng thí nghiệm và công trình thực tế ngày càng tiệm cận với nhau Qua đó giúp cho việc tính toán nhà cao tầng ngày một chính xác hơn, an toàn và tiết kiệm hơn

2

Hiện nay khi tính toán nhà cao tầng theo các quy phạm hiện hành được thực hiện bằng các phần mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn qua các các bước cơ bản như sau :

- Xác định tải trọng

- Mô hình hóa hệ kết cấu công trình

- Gán các trường hợp tải trọng lên mô hình kết cấu công trình

- Chạy chương trình, xác định được các giá trị nội lực của các phần tử trong hệ kết cấu

- Tổ hợp nội lực ( tải trọng), thiết kế các cấu kiện của công trình

Theo trình tự như vậy được hiểu rằng các trường hợp tải trọng tác dụng lên công trình sau khi toàn bộ hệ kết cấu đã được thi công hoàn chỉnh Tuy nhiên trên thực tế công trình được chất tải (tĩnh tải) dần từ tầng dưới lên trên theo quy trình thi công Như vậy đã có sự sai khác giữa sơ đồ tính toán thiết

kế và sơ đồ thực tế của hệ kết cấu

Nhiệm vụ của công tác thiết kế kết cấu là tính toán sao cho công trình vừa có khả năng thích ứng về yêu cầu sử dụng, vừa có khả năng đảm bảo về chịu lực dưới tác động của các loại tải trọng khác nhau, tại những thời điểm khác nhau Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về lý thuyết cũng như phân tích

sự khác nhau giữa thiết kế theo giai đoạn sử dụng và thiết kế phân tích theo giai đoạn thi công Tuy nhiên việc lấy tải trọng thế nào, xác định giá trị tải trọng cũng như các yếu tố đầu vào để thiết kế ra sao , là những vấn đề đang cần nghiên cứu

Để có cái nhìn đầy đủ hơn về sự làm việc khi xét đến ảnh hưởng của quá trình thi công trong thiết kế nhà cao tầng, phù hợp với các tiêu chuẩn của Việt Nam hiện hành, đề tài chọn hướng nghiên cứu với nội dung cụ thể là:

“NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH THIẾT KẾ NHÀ CAO TẦNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP PHÂN TÍCH THEO GIAI ĐOẠN THI CÔNG”

3

Mục đích nghiên cứu

-Thu thập và nghiên cứu tổng quan về nhà cao tầng

- Xác định tải trọng, các yếu tố đầu vào khi thiết kế nhà cao tầng phân tích theo giai đoạn thi công

- Xem xét ảnh hưởng của quá trình thi công đến hệ kết cấu nhà cao tầng trong quá trình thiết kế

- Đề xuất quy trình thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép phân tích theo giai đoạn thi công

- Tập hợp các kết quả tính toán, từ đó đánh giá sự khác nhau thực tế về kết quả khi áp dụng quy trình đề xuất khi thiết kế nhà cao tầng bê tông cốt thép phân tích theo giai đoạn thi công và thiết kế theo giai đoạn sử dụng thông thường

Đối tượng nghiên cứu

- Hồ sơ thiết kế các nhà cao tầng bê tông cốt thép

- Nghên cứu các công trình đã xây dựng và đang trong giai đoạn thiết kế

- Mô hình hóa các phương án nhà cao tầng bằng phương pháp phần tử hữu hạn có xét đến ảnh hưởng của quá trình thi công

Phạm vi nghiên cứu

- Các công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép toàn khối (hệ hỗn hợp khung- lõi,vách)

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu, khảo sát số, phân tích được sử dụng trong luận văn

- So sánh, tổng hợp và rút ra các nhận xét, kết luận